JP3034723B2 - シール部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は鉄系材料からなる２つの
機械要素の接触面の間の気密を保持するために使用され
るシール部材に関する。

【０００２】

【従来の技術】独国公開特許３８０４４３６号明細書は
エンジンブロックとシリンダヘッドとの間の接触面に装
着されるシール部材について詳しく述べている。軟質材
料からなるこのシール部材は燃焼室に接する面をＵ字状
のリングに倣って縁を仕上げたものである。

【０００３】材料の組み合わせはシリコンを基材とし
て、エラストマを含侵させたものである。これはエンジ
ンの回転中、燃焼ガスの漏洩を抑えるのに非常に効果的
である。シール部材の縁の仕上げを必要とするこの構成
はシリコン基材とエラストマの結びつきを弱める難点が
ある。

【０００４】このエラストマの含侵はシール部材をエン
ジンブロックおよびシリンダヘッドの間に装着したと
き、双方の接触面に対する摩擦を少し強めることにな
り、接触面の間に何も装着せず、接触面同士を密着させ
ておくよりは、シール部材が気密保持のためにより好ま
しく働く。

【０００５】ところで、シール部材は機械要素、エンジ
ン部品、管路の機械部品など組立において接触面間で気
密性を要求される場合に広く使用されている。

【０００６】各分野に共通していえることは、一定期間
使われたシール部材は、それ単独で補修あるいは交換す
ることを想定する場合が多いが、長期にわたり点検しな
くても完全に機能が保たれることの方がより重要であ
る。

【０００７】特に、固定された２つの機械要素の間で形
状が異なる場合、寸法上の差異が大きい場合あるいは機
械要素が異なる材料で作られる場合、外部からの作用力
によって要素間に僅かにずれを生じることがある。これ
は作用力が双方の要素に加えられたとき、要素に与えら
れた特有の性質からそれぞれが一様には反応せず、独自
の動きを呈することによるものである。

【０００８】特に、２つの機械要素が接触面間に大きな
力を生じる熱的負荷にさらされる場合に、双方の要素の
熱膨張による変位が妨げられると、こうした状況が発生
する可能性がある。

【０００９】そこで、２つの機械要素は接触面を平らに
保って相手の変位に対し僅かに滑ることができるように
構成するのが一般的である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】大形ディーゼルエンジ
ンで長期にわたり使用されたシールリングに経時的変形
が起こることが経験されている。このシールリングはシ
リンダカバーとシリンダ隔壁部材との間に装着されたも
ので、シリンダカバーおよびシリンダ隔壁部材と接する
面が経時的な変形から燃焼室方向あるいは外側にはみ出
してくる。

【００１１】一般に、こうしたはみ出しが起こると、機
械部品に損傷が発生したり、漏洩する流体により周囲が
汚染されるなどの不都合を伴なうため、その都度シール
部材は交換を迫られ、機械の分解が早められることにな
る。

【００１２】そこで、本発明の目的は長期間の使用にお
いても経時的な変形が最小に抑えられ、機械要素の接触
面の間の気密を良好に保持することのできるシール部材
を提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は鉄系材料からなる２つの機械要素の接触面の
間に接触面における気密を保持するようにいずれか一方
の面を接触面と接して設けられ、基材部を軟質鋼を用い
て構成されるシール部材において、シール部材の接触面
と接する面に鉄系材料よりも硬い微粒子を含む摩擦強化
コーティング層を備えることを特徴とするものである。

【００１４】また、本発明は隣接する他の機械要素に固
く結合されると共に、シール部材のいずれか一方の面と
接するほぼ平らな接触面を有する機械要素において、接
触面に鉄系材料よりも硬い微粒子を含む摩擦強化コーテ
ィング層を備えることを特徴とするものである。

【００１５】

【作用】シール部材とこれに接する２つの接触面との間
で摩擦が異なる値を示すとき、摩擦が小さい方の接触面
ではシール部材が滑り、摩擦が大きい方の接触面ではシ
ール部材が固着された状態になる。

【００１６】このため、シール部材の変位は固着側の機
械要素（一の要素という）に接する面が一の要素の動き
に追従するために大きくなり、これに対して滑り側の機
械要素（他の要素という）と接する面では変位がかなり
少ない。

【００１７】双方の機械要素にもたらされる応力によっ
て一の要素の接触面に前後の動きが生じたとき、一の要
素が前方へ変位する間、固着状態にあるシール部材は、
一の要素に追従して動き、永久変形を生じることがな
い。一方その後の後方への変位中は、他の要素との間に
滑りを生じ、そこに固着して硬直するのを免れることが
できる。

【００１８】シール部材の双方の面で異なる摩擦を与え
るには固着側の接触面と接する面に対し、摩擦強化コー
ティング層を形成する。

【００１９】この摩擦強化コーティング層の形成におい
ては相対的に大きい機械要素に施すよりも、取扱いが容
易なシール部材にコーティングを施すのがよい。

【００２０】シール部材と機械要素との間で摩擦係数が
約０．２程度異なるとき、摩擦を抑制するためのコーテ
ィングを施すよりも、これを強化する摩擦強化コーティ
ング層を形成するのがよい。この方法により必要とする
大きい摩擦差を得ることができる。

【００２１】この摩擦強化コーティング層には機械要素
の鉄系材料よりも硬い微粒子を含んでいる。シール部材
に作用する締付力で機械要素の接触面にこの微粒子をく
い込ませ、接触面に対するシール部材の固着力を強化す
る。シール部材および機械要素を構成する基材と比較し
て微粒子を充分に硬しており、長期間使用された後も微
粒子は平らにならず、あるいは角が落ちて丸くならな
い。

【００２２】この摩擦強化コーティング層は、好ましく
は金属マトリックスに含侵される少なくとも重量パーセ
ントで２０％のカーバイド、窒化ボロンあるいは酸化ア
ルミニウムを含むようにする。

【００２３】これらはいずれも鋼あるいは鋳鉄などの鉄
系材料の接触面に接する面の摩擦を強化するために使用
する。

【００２４】摩擦強化コーティング層に含侵される硬い
カーバイド、窒化ボロンあるいは酸化アルミニウムを２
０％よりも少なくした場合、シール部材の基材に微粒子
が埋まり、長期間の使用を経た後に摩擦を強化した効果
が徐々に弱まるため、２０％を下限とする。

【００２５】摩擦強化コーティング層の形成においては
プラズマスプレー法を用いるならば微粒子の分散を図る
ことができ、特に好ましい。硬い微粒子はプラズマアー
ク中では溶融することがなく、マトリックス材料はこの
とき溶融状態ですみずみを満たすことができる。この方
法は比較的大きい微粒子を含んでいる薄いマトリックス
を広く付着させ、極く粗いコーティング層を得ることが
できる。

【００２６】本発明によるシール部材は内燃エンジンに
組込まれるシリンダカバーおよびシリンダ隔壁部材の双
方の接触面に装着するシールリングとして用いることが
できる。エンジンは運転中、加熱されており、停止した
後は冷却される。このとき、熱膨張、収縮のためにシリ
ンダカバーはシリンダ隔壁部材に対して半径方向に僅か
に滑りながら動く。

【００２７】たとえば、ピストン直径が９０cmに及ぶ大
容量の内燃エンジンではシールリングはシリンダカバー
の締付けに伴なう強大な圧力にさらされる。エンジン運
転中、シリンダカバーとシリンダ隔壁部材との相対的変
位が生じたとき、軸方向に負荷された荷重のためにシー
ルリングに永久変形を生じる。

【００２８】本発明によるシール部材はこうしたシール
リングに適用したとき多大な効果がある。

【００２９】

【実施例】図１に本発明に係るシール部材としてのシー
ルリング１を示す。このシールリング１は２つの機械要
素、すなわちシリンダカバー２とシリンダライナ３との
間の気密を保持している。ディーゼルエンジンに使用さ
れるこのシリンダカバー２およびシリンダライナ３は共
にピストン（図示せず）、燃焼室４の境界を定めてい
る。

【００３０】シールリング１の上面はシリンダカバー２
の下端となる接触面５と接しており、また下面はシリン
ダライナ３の上端領域で上に向いている接触面６と接し
ている。シリンダカバー２はボルト（図示せず）を用い
てそこに作用する上向きの力の最大値よりも大きな締付
力をもっでシリンダライナ３に固定されている。この締
付力はシールリング１を通してシリンダカバー２からシ
リンダライナ３に伝わるために、シールリング１にはシ
リンダ軸方向に過大な応力が生じる。

【００３１】シールリング１の厚さは比較的薄いもの
で、図２に示すように形は環状で、外周に３個の突出部
７を有する。この突出部７にはシリンダライナ３の垂直
面９（図１参照）に当ててシールリング１の位置決めを
行なう外縁端８を形成している。また、シールリング１
の上面あるいは下面にはシリンダカバー２あるいはシリ
ンダライナ３のいずれか一方にシールリング１を固着状
態にする摩擦強化コーティング層を形成している。この
摩擦強化コーティング層は接触面５、６のいずれか一方
に施すことも可能である。しかし、望ましくは重さがあ
り、形状も大きいシリンダカバー２あるいはシリンダラ
イナ３よりも軽くて、取扱いの容易なシールリング１に
対して施す。

【００３２】このコーティングの施工においてはセラミ
ックス・金属複合材料を用いるプラズマスプレー法を適
用する。この試験の結果はすべてにおいて良好であるこ
とが確認されている。複合材料の組合わせはマトリック
スが比較的軟質の金属（硬さ２００〜５００ＨＶ）で、
そこに３０から４０μｍまでの粒子径を有するセラミッ
クスが分散して含まれる。

【００３３】セラミックス材料としてはクロムカーバイ
ド、窒化ボロンおよび酸化タングステンあるいは酸化ア
ルミニウムを使用することができ、硬さはいずれも１０
００ＨＶ以上とすることができる。

【００３４】ここでは、クロムカーバイドおよび窒化ボ
ロンは燃焼生成物が侵入することに対しても耐性を示す
ので、より好ましい。

【００３５】摩擦力を比較する実験をセラミックス・金
属複合材料でコーティングを施したブロックを用いて実
施した。比較のために同じ実験をコーティングを施さな
いブロックにも行なった。

【００３６】鋼製のブロックにプラズマスプレー法を用
いてセラミックス・金属複合材料のコーティングを施
す。材料名はダロスピストンリング社（スウェーデン国
法人）の製品名ＰＭ２０で、プラズマスプレー用として
粉末材料にしたものを用いる。この粒子径は約１４０メ
ッシュ±３０μｍで、カーバイド粒子は約１８９０℃の
融点を持っている。

【００３７】ブロックにはプラズマスプレー装置を用い
て厚さ５／１００mmの層を２層に重ねて付着させ、最終
的にコーティング層の厚さが６０から１４０μｍまでの
ブロックを得た。ブロックへのコーティングは２個の横
向きのブロックの中央に置かれたブロックの双方の側面
に施した。摩擦力を調べる実験は、横向きのブロックは
中央のブロックに力Ｎをもって押し付け、さらに、中央
のブロックと横向きのブロックとの接触面と平行な力Ｔ
を加えて中央のブロックを動かす方法を用いた。

【００３８】中央のブロックが横向きのブロックに対し
て動き始める前の力Ｔを測り、それを記録した。

【００３９】実験は押し付け力Ｎを変えて繰り返し実施
した。

【００４０】図３に測定結果を示している。力Ｎを横軸
に表わし、力Ｔ／２を縦軸に示している。力Ｔは横向き
の２つのブロックの接触面に等しく配分されると仮定し
た。

【００４１】図３は測定値の平均値に基づいており、実
線で表示した値は接触面の摩擦係数μである。

【００４２】直線Ａはブロックが動き始める前の力Ｔ／
２と平均値に基づいており、静摩擦係数μ_ｓを表わす。

【００４３】鋼表面と接する面に形成したコーティング
層の静摩擦係数はμ_ｓ＝３５となる。比較のために中央
のブロックに何もコーティングしていないものの実験も
行なった。この実験で得られた測定値を図３に示してお
り、低い値のゾーンに示される。この直線Ｂは静摩擦係
数μ_ｓの平均値で、μ_ｓ＝１５となっている。

【００４４】上記の実験結果を比較すると、摩擦強化コ
ーティング層を形成したものが約２．３だけ摩擦係数の
増加があることが判る。

【００４５】上記の実験のほか、ニッケルで同様のブロ
ックを製作し、同じ実験を行なった。

【００４６】すべての測定結果を次の表１にまとめてい
る。

【００４７】

【表１】 表１からセラミックス・金属複合材料で形成されるコー
ティング層は鋼との間に接触を保って滑るとき、高い摩
擦係数が与えられることが判る。この種の複合材料から
なるコーティング層はシール部材の一方の面に摩擦強化
コーティング層を形成して使用する場合に特に適する。

【００４８】さらに、ニッケルによる２つの接触面が係
わるものではおよそ静摩擦係数μ_ｓ＝０．２９が与えら
れ、鋼による接触面が係わるものと比較して約２倍の高
い値を示すことが判る。

【００４９】したがって、機械要素が接する部分で相手
の接触面にコーティングを施さないで、シール部材およ
びそのシール部材を装着する機械要素の一方の接触面だ
けにニッケルのコーティングを施すことも可能である。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように本発明はシール部材
の一方の機械要素との接触面に、あるいは機械要素の一
方のシール部材との接触面に鉄系材料よりも硬い微粒子
を含む摩擦強化コーティング層を形成したので、摩擦を
大きくした一方の接触面と接する方ではシール部材を固
着でき、他の接触面と接する方ではシール部材を滑らせ
ることができる。

【００５１】したがって、本発明によれば長期にわたる
使用においてもシール部材の変形を最小に抑えることが
でき、気密が良好に保持されるという優れた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るシール部材をシリンダカバーとシ
リンダライナとの間に装着したところの断面図。

【図２】図１に示されるシール部材の平面図。

【図３】本発明によるシール部材の摩擦状態を従来技術
によるシール部材と対比して示す線図。

【符号の説明】

１ シールリング ２ シリンダカバー ３ シリンダライナ ４ 燃焼室 ５、６ 接触面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 実開 平５−1066（ＪＰ，Ｕ) 実開 平１−180061（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関における単一シリンダにおける鉄
   系材料からなるシリンダカバー（２）及びシリンダライ
   ナ（３）のほぼ平らな接触面間のシールを行い、且つ金
   属性材料好ましくは軟質鋼のシールリングにおいて、シ
   リンダライナ及びシリンダカバーの接触面に面する一方
   の面のみに、隣接する接触面の鉄系材料よりも硬い微粒
   子を含む摩擦強化コーティング層を設け、上記シールリ
   ングのコーティング層を設けた面が、長期の作動間に隣
   接する接触面への硬い微粒子の係合によって隣接する接
   触面に固く結合され、シールリングがこの接触面の移動
   に追従し、シリンダライナ（３）及びシリンダカバー
   （２）に加わる熱的負荷の変化によって接触面（４，
   ５）に相対的移動を生じた時には、他方の接触面に対し
   て相対的に滑るようにしたことを特徴とする、シールリ
   ング。
2. 【請求項２】前記摩擦強化コーティング層が金属マトリ
   ックスに含浸される少なくとも重量パーセントで２０％
   のカーバイド、窒化ボロンあるいは酸化アルミニウムを
   含むことを特徴とする請求項１記載のシールリング。
3. 【請求項３】前記コーティング層が前記シールリング
   （１）の上記一方の面にプラズマスプレーによって形成
   されていることを特徴とする請求項１または２記載のシ
   ールリング。
4. 【請求項４】シリンダライナ（３）に固着されたシリン
   ダカバー（２）と、シリンダカバー（２）のほぼ平らな
   接触面とそれに対向するシリンダライナ（３）のほぼ平
   らな接触面との間をシールするシールリングとを有し、
   シリンダライナとシリンダカバーが鉄系材料で作られ、
   シールリングが金属性材料好ましくは軟質鋼によって作
   られている、内燃機関のシリンダにおいて、シリンダラ
   イナ及びシリンダカバーの接触面の一方の面のみに、接
   触面の材料より硬い微粒子からなる摩擦強化コーティン
   グ層を設け、長期の作動間に接触面への硬い微粒子の係
   合によってシールリングがコーティングされた接触面に
   固く結合され、シールリングがこの接触面の動きに追従
   し、シリンダライナ（２）及びシリンダカバー（３）に
   加わる熱的負荷の変化によって接触面に相対的移動を生
   じた時には他の接触面に対して相対的に滑るようにした
   ことを特徴とする、シリンダ。